- 鑄造造型材料實用手冊（第2版）
- 李遠才 董選普
- 16452字
- 2020-06-04 17:27:23
2.3 非石英質原砂及耐火材料
2.3.1 鋯砂
1.鋯英石的基本性質
地球上已知的含鋯礦物有50余種，其中常見的有20余種，主要工業用鋯礦物有鋯英石、斜鋯石、含鉿鋯石和異性石等。在工業上，應用最為廣泛的是鋯英石。世界上已探明的鋯英石儲量超過6000萬t（以ZrO2計），主要產地為澳大利亞、南非和美國，其他主要出產國還有中國、印度、馬來西亞、越南、斯里蘭卡和泰國。1996年，澳大利亞和南非的鋯英石產量分別為50萬t和26萬t，兩者之和占世界總供應量的85%（不包括美國）。我國的鋯英石礦產資源主要集中在海南、廣東、廣西、山東及臺灣等地的沿海一帶。
鋯英石是巖漿中結晶較早的礦物，因而通常晶體尺寸較小，外觀呈無色或者不同程度的棕色、黃色及綠色，其密度通常為4.6～4.7g/cm3，莫氏硬度為7.5級，具有強的雙折射而巨呈正光性。鋯英石屬四方晶系，結晶習性一般為四方柱和四方雙錐的聚形（見圖2-4）。其基本性質見表2-21。
圖2-4 鋯英石的結晶習性
鋯英石理論含ZrO267.2%（質量分數）、SiO232.8%（質量分數），但天然鋯英石總含有一定量的鉿，大約為1%（質量分數），并通常與鈦鐵礦、獨居石和金紅石伴生。除金紅石和/或鈦鐵礦外，與鋯英石伴生的其他礦物還有斜鋯石、銳鈦礦、燒綠石、獨居石、鱗釔石和錫石等。鋯英石中其他常見的元素還有Fe、Sn、Nb和Ta。
2.鋯英石的選礦
鋯英石海濱砂礦中脈石礦物和其他伴生礦物占絕大部分，用作耐火原料時必須選別出鋯英石（精礦）。一般在選別鋯英石時，也將鈦鐵礦、金紅石和其他重礦物加以回收。
鋯英石伴生礦物的性質各不相同（見表2-22），需用重選、磁選、浮選和電選等各種方法加以選別。選礦工藝流程與伴生的有益礦物種類有關，其原則流程見表2-23。
表2-21 鋯英石的基本性質
表2-22 鋯英石及伴生礦物的性質
表2-23 鋯英石選礦的原則流程
鋯英石精礦和其他重礦物精礦的選礦通常是由兩個工藝階段構成，即濕法選礦和干法礦物分離。選礦工藝的復雜程度（流程段數）取決于粗精礦中各種礦物的含量和對精礦產品的技術要求。
3.鋯英石精礦的性能與技術條件
（1）化學組成 經選礦而得到的鋯英石精礦雜質含量已大大降低。表2-24為國內外幾種鋯砂的化學成分。鋯英石用于耐火材料時，其中的鈦鐵礦、CaO、MgO的主要危害是降低荷重軟化溫度和耐火度，TiO2降低熱震穩定性（TiO2來源于金紅石或銳鈦礦等），Al2O3和Fe2O3（來自于鈦鐵礦）對耐火度、荷重軟化點、熱震穩定性都有一定影響。雜質含量多時，鋯英石的分解溫度與燒結溫度也明顯降低。因此，用于耐火材料的鋯英石從化學成分上一般應控制w（ZrO2）≥63%，w（Al2O3）＜1.5%，w（TiO2）＜4%，w（CaO），w（MgO）均≤1%（越低越好），w（Fe2O3）≤1%。
表2-24 國內外幾種鋯砂的化學成分
（2）粒度組成 鋯英石熔點高，在巖漿中結晶較早，因而結晶尺寸一般較小。鋯英石礦是河床或海濱堆積的砂礦，粒度通常在0.3mm以下。不同產地的鋯英石其粒度是不同的（見表2-25）。
表2-25 鋯英石精礦的粒度分布
（3）放射性 近年來，我國經濟發展帶來的環境污染問題日益受到國內外關注。我國海關、質檢、商檢管理部門已開始關注鋯砂中的放射性劑量。凡屬天然放射性核素活度濃度超標但確需進口的礦物，需提供國家相關政府部門出具的批準文件方可放行。
鋯砂本身不具有放射性，但鋯砂基本上是鈦鐵礦選礦的副產品，同時伴生有金紅石和獨居石[化學式為Ce（PO4）或Ce、La、Th、U（PO4），又名磷鈰鑭礦，是一種稀土磷酸鹽]，同時還含有少量磷釔礦[化學式為Y（PO4）或Y、Th、U（PO4）]，這是鋯砂中放射性Th、U的來源。鋯砂和獨居石的密度、粒度大小相近，都不具備導電性，僅磁性略有差異，因此就目前的選礦技術而言難以將它們徹底分開。我國鋯砂精礦中通常含少量或微量的獨居石。
通常，鋯英石中還含有P2O5。一般鋯砂含量越低，其P2O5含量就越高，獨居石的含量也會越高，其放射性強度也就越大。
澳砂和南非砂一般含Th0.01%～0.02%（質量分數），含U0.02%～0.03%（質量分數），Th、U總和不超過0.05%（質量分數）；放射性比活度Th為0.1～1.0Bq/g，U為2.0～4.0Bq/g。如果按國標規定，屬于豁免水平，裝卸、保管、運輸和操作鋯砂的場所，可視為非放射性。按照國際原子能機構制定的輻射源安全防護國際基本標準，主體放射性小于1Bq/g的礦物也可豁免，巨凡符合這一規定的主體，都屬國際公認的豁免范圍。國產鋯砂中除山東榮成鋯放射性水平接近澳砂外，其他地區的鋯砂放射性水平都比澳砂高一個數量級。
目前，我國對國外鋯砂的依賴程度很高，這是因為國產鋯砂中Th、U呈細粒晶嵌布狀態，巨獨居石的選別比較困難，國產鋯砂尚不能大量取代進口鋯砂。
4.鋯英石精礦的加熱變化與分解
（1）鋯英石精礦的加熱性質 鋯英石的加熱性質與其純度有著密切關系，純凈的鋯英石在1540℃以前幾乎不發生變化。圖2-5a所示為國產兩種鋯英石精礦的差熱分析（DTA）曲線。w（ZrO2）=60%的鋯英石在280℃有一吸熱谷，905℃有一明顯的放熱峰，認為這是由于存在變水鋯英石而引起的。變水鋯英石在280℃左右失水，905℃重新結晶成正常的鋯英石結構而放出熱量。獨居石、釷石、鈦鐵礦在900℃左右也會產生放熱反應，但其量少，通常忽略不計。w（ZrO2）=65%的鋯英石DTA曲線無明顯變化。在573℃時均未發現有石英的α-β相變吸熱谷，這說明兩者石英含量都很少。
鋯英石的熱膨脹性質與其變種和產地有關。在900℃以前，一般有規律性；在高溫階段則比較復雜，但總的來說其線脹系數不大，1100℃時約為4.6×10-6℃-1。圖2-5b所示為兩種斯里蘭卡鋯英石的熱膨脹曲線。
鋯英石坯體的密度在加熱過程中發生的變化如圖2-5c所示。密度最大時的溫度視為鋯英石的燒結溫度。w（ZrO2）=55%的鋯砂由于雜質含量較高，在1550℃便可燒結，而w（ZrO2）=65%的鋯英石直接到1750℃才能燒結。超過燒結溫度后體積密度的降低與鋯英石的分解有關。
（2）鋯英石的分解 鋯英石是ZrO2-SiO2二元系中的唯一二元化合物（見圖2-5d）。根據相圖，純鋯英石在1687℃時產生不一致熔融。鋯英石在高溫下會分解成ZrO2和SiO2。由于其共存氧化物的種類和數量不同，鋯英石熱分解的確切溫度尚無定論，一般認為其分解范圍為1540～2000℃，高純鋯英石自約1540℃開始緩慢分解，1700℃時分解迅速，隨溫度升高分解量增大，至1870℃時分解率達95%（見圖2-5e）。分解產物為單斜ZrO2和非晶質SiO2。
溫度和加熱時間是影響鋯英石分解的主要因素。鋯英石在1550℃下加熱5h幾乎沒有分解，10h以上有少量分解，如圖2-5f所示。鋯英石粒度越粗越不容易分解，如0.59～1.49mm的顆粒在1700℃下加熱1h幾乎沒有變化，而0.044mm的顆粒則分解較多。
圖2-5 鋯英石精礦的加熱變化與分解圖譜
a）鋯英石的差熱分析（DTA）曲線 b）鋯英石的膨脹曲線 c）鋯英石坯體的密度變化 d）ZrO2-SiO2二元系相圖 e）鋯英石的熱分解溫度 f）溫度和時間與鋯英石分解的關系
原料中的雜質或外加物對鋯英石分解的影響各不相同。一般與SiO2反應性強的氧化物對鋯英石分解的影響較大，并按元素周期表Ⅰ族＞Ⅱ族＞Ⅲ族的順序增大。隨著各種氧化物含量的增加，鋯英石開始分解的溫度越低，其分解量也越大。
堿金屬氧化物（Na2O、K2O、Li2O）加入到鋯英石中，在高溫下生成單斜ZrO2和玻璃（SiO2·R2O）。堿土金屬氧化物（MgO、CaO）與鋯英石反應，生成物除單斜ZrO2、玻璃或化合物（M2S、C2S、C3S等）外，還能形成ZrO2固溶體。Al2O3與鋯英石反應時，除生成ZrO2外，還形成莫來石。TiO2添加到鋯英石中，在1450℃時，鋯英石分解很少；在1480～1540℃之間，隨TiO2含量增加，鋯英石分解量增大；在1670℃時，5%（質量分數）的TiO2可使鋯英石全部分解。TiO2與分解產生的ZrO2形成ZrO2·TiO2，殘留SiO2。了解添加氧化物與鋯英石分解的關系對鋯砂（粉）在鑄造及耐火制品的生產與使用過程具有重要意義。
值得注意的是，鋯英石分解后的ZrO2與SiO2能夠再結合，生成ZrSiO4。例如，將鋯英石熔融使其完全分解，然后在1450℃下加熱3h又實現完全再結合。雜質的存在是影響分解后的ZrO2與SiO2再結合的重要因素。例如，鋯英石在1750℃下加熱約有75%分解，將其在1500℃下保持1周，可實現完全再結合；但添加質量分數為3%的BaF2或1.9%的AlF3，經過同樣處理的鋯英石卻完全沒有發生再結合。以上表明，將等物質的量的ZrO2和SiO2混合物加熱很容易合成鋯英石。
5.鋯英石的燒結
鋯英石的燒結是靠高溫下的固相擴散作用而進行的，其速度非常緩慢，難于充分燒結。表2-26列出了鋯英石的燒結特性。細粉多的試樣體積收縮隨溫度升高而加劇；而鋯砂（粉）占50%（質量分數）的試樣，煅燒溫度從1690℃升高到1700℃時，其體積基本沒有變化。
表2-26 鋯英石的燒結特性
加入某些氧化物可促進鋯英石的燒結。對鋯英石在1500℃時的燒結研究表明：①Na2O、K2O、MgO、CaO、ZnO、B2O3，MnO、Fe2O3、CB2O3、NiO等對促進燒結非常有效；②Cu2O、CuO、BeO、CeO2、TiO2、P2O5、SrO，BaO等對促進燒結作用不大；③ThO、Al2O3、SnO、Pb2O、PbO、V2O3、SeO、Cr2O3、MoO3、WO3對燒結無影響。
但是，加入氧化物也會促進鋯英石的分解，生成的ZrO2因晶型轉化產生體積變化而造成鋯英石制品熱震穩定性變壞，而巨生成的SiO2也易與鋼液和熔渣反應生成低熔點化合物，加速制品的損壞。在上述對促進鋯英石燒結非常有效的氧化物中，Fe2O3、NiO等不促進鋯英石的分解，ZnO、MnO、Co2O3使其分解不多，其余則顯著促進鋯英石的分解。
6.鋯英石精礦的技術條件
海濱砂礦經選礦富集而獲得的鋯英石精礦的技術條件見表2-27。該技術條件適用于提取鋯的化合物、鋯鉿分離、制造合金以及鑄造、耐火材料、陶瓷、玻璃等行業。
表2-27 鋯英石精礦的技術條件
7.鑄造用鋯砂的技術指標
如上所述，鋯英石密度大（4.6～4.7g/cm3），莫氏硬度高（7～8級），燒結溫度與熔化溫度之間的范圍寬，具有比硅砂高的導熱性和小的熱膨脹性；在高溫狀態下表現為中性至弱酸性，與堿性渣及熔融的酸氧化物（SiO2）反應緩慢，適應性很廣。鋯英石主要用于耐火材料、陶瓷和鑄造行業，用量各占1/3左右。在耐火材料工業中，鋯英石的用途主要有三：①制造鋯英石質耐火材料，如玻璃窯的鋯英石磚，盛鋼桶用鋯英石磚、搗打料和澆注料等；②添加到其他材料中來改善其性能，如合成堇青石中添加鋯英石可拓寬堇青石的燒結范圍而又不影響其熱震穩定性，在高鋁磚中添加鋯英石制造抗剝落高鋁磚，熱震穩定性大大提高；③用于提取ZrO2。
在鑄造行業中，鋯砂（粉）通常用作大型鑄鋼件厚壁處和各種合金鋼鑄件的面砂，以及抗粘砂的涂料、涂膏。根據JB/T 9223—2013《鑄造用鋯砂、粉》規定，鑄造用鋯砂按二氧化鋯（鉿）含量分為3個等級，分級情況見表2-28；鑄造用鋯砂按其粒度組成分為4組，見表2-29；鑄造用鋯砂的酸耗值不大于5。
表2-28 鑄造用鋯砂、粉按二氧化鋯（鉿）含量分級各級的化學成分
表2-29 鑄造用鋯砂、粉按粒度組成分組
航空工業對熔模鑄造用鋯石粉的化學成分、粒度作了規定，見表2-30和表2-31，其水的質量分數應小于0.3%。
表2-30 熔模鑄造用鋯石粉化學成分
表2-31 熔模鑄造用鋯石粉粒度
我國主要鋯砂的技術指標見表2-32。
表2-32 我國主要鋯砂的技術指標
2.3.2 鎂砂
1.鎂砂的成分
鎂砂可分為燒結鎂砂和電熔鎂砂兩種，其主要成分為MgO。燒結鎂砂是天然菱鎂礦石（MgCO3）經高溫煅燒而得的燒結塊，再經破碎、篩選而成。菱鎂石在700～950℃下煅燒即逸出全部CO2，所得的MgO為軟質多孔疏松易結塊物質（也稱苛性鎂砂），不能用于鑄造。鑄造用的鎂砂必須是經過1550～1600℃煅燒的所謂燒死的鎂砂，因經高溫煅燒后使MgO結晶生成方鎂石，顆粒致密堅硬，不會水化，故高溫使用時不再發生收縮。否則，用作型（芯）砂時鑄件易產生氣孔，用作涂料時涂層易產生龜裂。電熔鎂砂是由天然菱鎂礦、輕燒鎂粉或燒結鎂砂在電弧爐中經2750℃的高溫熔融而成，其強度、耐蝕性及化學惰性均優于燒結鎂砂。
鎂砂的密度為3.5g/cm3左右，純鎂砂的熔點為2800℃。由于菱鎂礦中常含有Ca、Fe、Mn等同晶碳酸鹽，因此鎂砂中也常含有SiO2、CaO、Fe2O3等雜質，故其熔點一般低于2000℃。鎂砂的熱膨脹量小，沒有因相變引起的體積突變。鎂砂屬堿性材料，抗堿性渣的能力強，抗酸性渣的能力稍差。鎂砂適用于做錳鋼鑄件的型（芯）砂的涂料、涂膏，鑄造過程中熱應力很大的型、芯也可以采用鎂砂。
2.鎂砂的技術指標
燒結鎂砂的技術指標（GB/T 2273—2007）見表2-33。國內外燒結鎂砂的典型性能見表2-34。
表2-33 燒結鎂砂的技術指標（GB/T 2273—2007）
表2-34 國內外燒結鎂砂的典型性能
電熔鎂砂的技術指標見表2-35，國內外電熔鎂砂的典型性能見表2-36。
表2-35 電熔鎂砂的技術指標（YB/T 5266—2004）
表2-36 國內外電熔鎂砂的典型性能
（續）
2.3.3 橄欖石砂
1.橄欖石的基本性質
橄欖石包括好幾種礦物，鑄造用的橄欖石砂主要是鎂橄欖石（Mg2SiO4）與鐵橄欖石（Fe2SiO4）的固溶礦物（Mg，Fe）2SiO4。橄欖石固溶體組成礦物的性質見表2-37。鎂橄欖石的耐火度為1910℃，鐵橄欖石砂的耐火度為1700～1800℃。隨著固溶體中鐵橄欖石含量的提高，也就是FeO質量分數的增加，其熔點下降。鑄造用的高耐火度橄欖石砂中FeO的質量分數應不大于10%。
表2-37 橄欖石固溶體組成礦物的性質
橄欖石通常也含有它的熱液作用蝕變的產物（含水鎂硅酸鹽）——蛇紋石[3Mg6·（Si4O10）·（OH）8]。橄欖石隨著蛇紋石化程度的增加，即隨蛇紋石含量的增加，其熔點下降，灼燒減量和發氣量增大。鑄造用橄欖石砂蛇紋石的含量越少越好，一般質量分數不大于20%。橄欖石砂可以通過淘洗、重力分選或高溫煅燒來提高其質量。
橄欖石砂的密度為3.2～3.6g/cm3，莫氏硬度為6～7級，熱膨脹量較硅砂小，巨均勻膨脹，無相變。橄欖石砂不含游離SiO2，故無硅塵危害，巨不與鐵和錳發生氧化反應，因此具有較強的抗金屬氧化物侵蝕的能力，是一種較好的造型材料。
橄欖石砂可用作中型鑄鋼件，特別是高錳鋼鑄件的面砂。V法生產高錳鋼鑄件（如爐箅、道岔等），國內外多采用橄欖石砂。
2.鎂橄欖石砂的技術指標
鎂橄欖石砂按物化性能分為3級，見表2-38；按其粒度分為5級，見表2-39。國產鎂橄欖石砂的技術指標見表2-40。
表2-38 鎂橄欖石砂按物化性能分級（JB/T 6985—1993）
表2-39 鎂橄欖石砂按粒度分級
表2-40 國產鎂橄欖石砂的技術指標
2.3.4 鉻鐵礦砂
1.概述
鉻鐵礦也稱鉻礦，其以黑色的塊狀、粒狀或糜棱狀產出，有時可見到細小的八面體結晶。鉻鐵礦具有半金屬光澤，莫氏硬度為5.5～6級，無解理，性脆，耐火度大于1900℃，密度取決于尖晶石組成和雜質的性質，一般為4.2～4.8g/cm3。鉻鐵礦為非磁性或弱磁性，含鐵量高者磁性較強。自然界中天然鉻鐵礦的成分復雜，變化也較大。工業上經常用到的鉻鐵礦實際上多是由六種尖晶石組成的混晶，一般化學式可以表示為（Mg，Fe）O·（Cr，Al，Fe）2O3。工業上也通常把鉻鐵礦、鉻尖晶石、富鉻尖晶石和硬鉻尖晶石等類似礦物統稱為鉻鐵礦。
鉻鐵礦砂有很好的抗堿性渣的作用，不與氧化鐵等發生化學反應，在耐火材料工業中主要用于生產鎂鉻質原料和耐火磚。鉻鐵礦砂的熱導率比硅砂大好幾偌，而巨在熔融金屬澆注的過程中鉻鐵礦砂本身發生固相燒結，從而有利于防止熔融金屬的滲透。在鑄造行業，鉻鐵礦砂主要用作大型鑄鋼件和各種合金鋼鑄件的型、芯面砂和抗粘砂涂料、涂膏，具有極好的耐蝕性。鉻鐵礦砂還是制備鉻和所有含鉻化合物的唯一資源。
我國鉻鐵礦資源貧乏，礦石品位較低，主要分布在華北、西北和西藏等地。在鑄造行業，目前僅有商南造型材料廠生產鉻鐵礦砂，年產量僅數百噸。西藏的鉻鐵礦雖已開采，但運輸困難。為滿足國內鑄造生產的需要，近10年來我國一直從南非進口鉻鐵礦砂。
2.鉻鐵礦的加熱變化
（1）氧化增重現象 如上所述，FeO是鉻鐵礦中鐵存在的常見狀態。當鉻鐵礦在空氣中加熱時，FeO約從200℃即開始被氧化成Fe2O3，這種氧化在1000℃下保持1h即可達到完全（見表2-41）。反應式為
2（FeO·Cr2O3）+1/2O2→Fe2O3+2Cr2O3
鉻鐵礦的氧化使其重量增加。圖2-6a所示為鉻鐵礦的熱重分析曲線（TG）。其典型的TG曲線有三種類型：A、B和C，各類型均從200℃左右開始氧化。A型在700℃左右增重達最大，然后開始失重，在1000℃左右失重基本停止；B型與A型類似，但在1000℃左右沒有出現失重停頓現象；C型在500℃左右增重緩慢，在1050℃增重達最大值。失重是由于Fe2O3的再分解放出氧而造成的。一般而言，當尖晶石的組成由鐵系變為鋁系，或鉻系尖晶石含量較高時，TG曲線轉變為B型或C型。
在加熱過程中鉻鐵礦結晶難以長大，很難形成結晶網絡，它也不與各種爐渣起反應。
表2-41 鉻鐵礦的受熱氧化
圖2-6 鉻鐵礦的加熱變化圖譜
a）熱重分析曲線 b）加熱膨脹
（2）加熱膨脹 鉻鐵礦熱膨脹的特點是在850℃以上顯著增加，但高溫時卻又發生收縮。將不同產地的鉻鐵礦分別在1400℃和1800℃進行預先加熱處理，然后測定其熱膨脹，結果如圖2-6b所示。可見，1400℃和1800℃燒成的鉻鐵礦分別從1200℃和1500℃開始呈現急劇的收縮。這一現象對鉻質耐火材料是十分有害的。研究表明，在鉻鐵礦中添加MgO，可以消除這一收縮現象，這是因為鉻鐵礦可固溶吸收MgO而引起晶格膨脹。
實踐中發現，鉻鐵礦中的FeO氧化成Fe2O3后會導致FeO成分不足，而Fe2O3過量成游離狀態，若遇有還原氣氛，在700℃左右可以發生如下反應：
Fe2O3+2Cr2O3→2（FeO·Cr2O3）+1/2O2
此時可產生30%的體積膨脹。加入MgO和避免還原氣氛可消除這種現象。
3.鉻鐵礦的精選加工
鉻鐵礦在世界上的儲量是很有限的，高品位的礦石更少。鉻鐵礦中的脈石礦物，特別是含SiO2的橄欖石、蛇紋石、綠泥石、滑石等對耐火材料是十分有害的，而巨鉻鐵礦的成分不穩定，即使是同一礦區的礦石也是如此。這樣顯然不適合制造高質量的耐火材料。根據鉻鐵礦中脈石的分布特點，用簡單的選礦方法即能使脈石含量大大降低。現代耐火材料已越來越多地使用經選礦加工的鉻鐵礦（鉻精礦）。
世界各主要生產國鉻精礦的化學成分見表2-42。可見，經磁選、重選或酸浸工藝處理，基本上分離出了全部硅酸鹽和其他脈石礦物（表現為SiO2、CaO等含量極低）。表2-42中我國西藏鉻鐵礦為僅經螺旋分級和水力分級重選而提純的精礦，故雜質含量稍高。
表2-42 世界各主要生產國鉻精礦的化學成分
（續）
①未做FeO分析，全鐵以Fe2O3表示。
4.鉻鐵礦的分級及技術條件
鉻鐵礦主要用于冶煉金屬鉻，從而制造不銹鋼及各種合金，冶金用鉻鐵礦的消耗量占鉻鐵礦總量的87%；在化學工業中，主要用于制造重鉻酸鈉，它是電鍍鉻的基本原料，化學工業用鉻鐵礦占10%；其余3%用于制造鎂鉻質耐火材料，還有少量的低品位礦石用于制造輝煌綠巖鑄石等。
根據用途，鉻鐵礦大致劃分為三級，即耐火材料級、冶金級和化學級。名義上耐火材料級鉻鐵礦含Cr2O344%～45%（質量分數），冶金級含Cr2O3大于46%（質量分數），化學級一般含Cr2O334%～35%（質量分數），但在實際使用時往往跨級，并無嚴格區分。礦石的價格也決定于鐵和SiO2的含量。表2-43列出了世界鉻精礦的分級及用途。
表2-43 世界鉻精礦的分級及用途
用于耐火材料的鉻鐵礦最好有高的鉻鐵比，并含有較少的SiO2。表2-44列出了耐火材料用鉻礦石的化學成分（YB/T 5265—2007），其分別對（Cr2O3、CaO、SiO2、MgO和Fe2O3）含量和粒度做出了規定。表2-45列出了我國鉻精礦的技術條件（YB 4066—1991），其適用于生產耐火材料和鉻鐵合金。
根據JB/T 6984—2013《鑄造用鉻鐵礦砂》規定，鑄造用鉻鐵礦砂根據不同粒度組成分為四組，見表2-46；鑄造用鉻鐵礦砂按平均細度偏差分為四級，見表2-47。
表2-44 耐火材料用鉻礦石的化學成分（YB/T 5265—2007）
注：1.GKS40、GKS36塊礦中小于20mm的碎礦可不超過30%。
2.5～20mm粒度范圍為機選粒礦。
3.鉻礦石塊礦產品中不應混入明顯可見的脈石和其他廢石雜物，其表面應干凈，不準粘有充填砂漿、泥土；鉻礦石塊礦中的脈石夾層厚度不超過8mm。
表2-45 鉻精礦的技術條件（YB 4066—1991）
表2-46 鑄造用鉻鐵礦砂按粒度組成分組
表2-47 鑄造用鉻鐵礦砂按平均細度偏差分級
鑄造用鉻鐵礦砂牌號表示方法如下：
示例：ZGTS 50/100（49B）表示鑄造用鉻鐵礦砂的主要粒度組成首篩篩號為50，尾篩篩號為100，平均細度為49，平均細度偏差值為±3。
鑄造用鉻鐵礦砂的技術要求如下：
1）外觀應為亮黑色均勻顆粒物。
2）鑄造用鉻鐵礦砂的化學成分以三氧化二鉻、全鐵、二氧化硅、氧化鈣含量作為驗收依據，并應符合表2-48的規定。
表2-48 鑄造用鉻鐵礦砂化學成分
3）使用化學黏結劑時，鑄造用鉻鐵礦砂的酸耗值不大于5.0mL。
4）鑄造用鉻鐵礦砂的含水量不大于0.2%（質量分數）。
5）鑄造用鉻鐵礦砂的含泥量不大于0.3%（質量分數）。
6）鑄造用鉻鐵礦砂的主要粒度組成應符合表2-46的規定，其相鄰三篩余留量之和不小于75%（質量分數），相鄰四篩余留量之和不小于85%（質量分數）。對鑄造用鉻鐵礦砂的粒度組成有特殊要求的，由供需雙方商定。對任一牌號的鉻鐵礦砂，供方應提供其平均細度及粒度分布圖表。
7）鑄造用鉻鐵礦砂根據主要粒度組成，其細粉含量參照表2-49的規定，其他粒度組成的細粉含量由供需雙方商定。
表2-49 鑄造用鉻鐵礦砂細粉含量
2.3.5 鋁-硅系耐火材料
鋁-硅系耐火材料是以氧化鋁及二氧化硅為主要成分組成的鋁硅酸鹽，除主要成分Al2O3及SiO2外，還有少量其他成分，如Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O和K2O等，這些都稱為雜質。鋁-硅系耐火材料的耐火度高，熱震穩定性和高溫化學穩定性都比較好，線脹系數比硅及剛玉小，已廣泛被用作熔模鑄造制殼耐火材料。這類材料主要有高嶺石類耐火黏土（生料及熟料）和高鋁質耐火材料。
1.高嶺石類耐火材料
（1）黏土質耐火材料 黏土質耐火材料通常是指Al2O3的質量分數為30%～46%，礦物組成以高嶺石為主的耐火黏土，其分子式為Al2O3·2SiO2·2H2O。純高嶺石為白色，密度為2.6g/cm3，熔融溫度為1750～1787℃。在熔模鑄造中，通常是將耐火黏土加入加固層涂料以提高水玻璃型殼的常溫強度和高溫強度，這類型殼不必裝箱填砂，可單殼進行焙燒、澆注，故常稱作高強度型殼。
常用黏土一般可分為軟質黏土和硬質黏土兩類。表2-50列出了熔模鑄造使用的部分軟質黏土的化學成分。
表2-50 熔模鑄造使用的部分軟質黏土的化學成分
①含有質量分數為20%～30%的熟料。
（2）耐火黏土熟料 耐火黏土熟料是將高嶺石類生黏土（多為硬質黏土）經高溫煅燒再破碎而成。其主要相組成為莫來石和玻璃相，有時還有少量的方石英。相組成與原材料中的Al2O3含量、煅燒溫度和保溫時間有一定關系，隨著Al2O3含量增加、煅燒溫度提高，以及煅燒時間延長，其莫來石的含量增多。
耐火黏土熟料一般Al2O3的質量分數約為40%，SiO2的質量分數約為50%，并存在少量Fe2O3、MgO、Na2O和K2O等雜質，已在精密鑄造中廣泛的使用。幾種常用高嶺石類耐火黏土熟料見表2-51。
表2-51 幾種常用高嶺石類耐火黏土熟料
熔模鑄造用上店土砂、粉的化學成分見表2-52，其他性能為：耐火度≥1750℃，密度≥2.4g/cm2，w（水）≤0.3%，砂中w（粉塵）≤0.3%，w（莫來石）≤45%，w（方英石）=15%～20%。
表2-52 熔模鑄造用上店土砂、粉的化學成分
根據JB/T 11733—2013《熔模鑄造用煅燒高嶺土砂粉》的規定，熔模鑄造用煅燒高嶺土砂粉的技術要求如下：
1）熔模鑄造用煅燒高嶺土砂粉的化學成分及物理性能應符合表2-53的規定。
表2-53 熔模鑄造用煅燒高嶺土砂粉的化學成分及物理性能
2）熔模鑄造用煅燒高嶺土砂粉產品外觀應符合表2-54規定。
表2-54 各級熔模鑄造用煅燒高嶺土砂粉產品外觀質量要求
3）熔模鑄造用煅燒高嶺土砂粉中含水量≤0.30%（質量分數）。
4）熔模鑄造用煅燒高嶺土砂粉的粒度指標見表2-55、表2-56（可以按需方要求調整）。
5）需方要求對其他項目加以控制時，由供需雙方商定。
2.鋁礬土耐火熟料
（1）概述 鋁礬土的主要礦物組成是含水氧化鋁及高嶺石。含水氧化鋁主要有：水鋁石α-Al2O3·H2O，波美石γ-Al2O3·H2O，三水鋁石Al2O3·3H2O等。我國鋁礬土蘊藏量大巨分布很廣，河北、河南、山西、山東、湖南、貴州、遼寧等地都有大量鋁礬土礦。
表2-55 砂粒度指標
表2-56 粉粒度指標
鋁礬土耐火熟料砂的主要礦物成分為莫來石（3Al2O3·2SiO2），它是鋁礬土經過高溫（1300～1500℃）煅燒而得的燒結塊再經過破碎、篩選而成，其耐火度隨Al2O3含量的增加和煅燒溫度的增高而提高。高鋁礬土煅燒的鋁礬土砂，當Al2O3質量分數達71.8%時，其耐火度大于1800℃。上述熟料中，Fe2O3、CaO、MgO等雜質的存在均影響其耐火度。鋁礬土熟料的相組成見表2-57。
表2-57 鋁礬土熟料的相組成
鋁礬土耐火熟料的優點是熱膨脹量小，高溫下體積穩定，耐火度高，抗渣性好，鐵及其氧化物對它們的浸潤性都比石英低。耐火熟料是一種典型的兩性氧化物，根據成分不同，其在高溫時有時呈現顯著的堿性，有時也呈現中性。
（2）鋁礬土耐火熟料的技術指標 高鋁礬土熟料及優質高鋁礬土的技術條件見表2-58和表2-59。鋁礬土熟料的典型理化性能見表2-60。
表2-58 高鋁礬土熟料技術條件（YB/T 5179—2005）
表2-59 優質高鋁礬土熟料技術條件（YB/T 5179—2005）
注：1.回轉窯煅燒的產品通過5mm標準篩的篩下料不超過8%，其他窯煅燒的鋁礬土通過10mm標準篩的篩下料不超過10%，200～300mm的塊料不超過10%。
2.鋁礬土熟料中雜質的質量分數不超過2%。
3.同一牌號產品中混入其他牌號的質量分數不超過10%。
4.鋁礬土熟料中不得混入石灰石、黃土及其他高鈣、高鐵等外來夾雜物。
表2-60 鋁礬土熟料的典型理化性能
①A/S是Al2O3與SiO2比值的簡寫。
鋁礬土熟料可以用作大型鑄鋼件的型（芯）面砂、涂料和涂膏。近年來，熔模鑄造型殼已廣泛應用鋁礬土砂（粉）作耐火材料，主要用于配制型殼的加固層涂料及撒砂材料，它在一定范圍內代替了石英和剛玉材料，在澆注不銹鋼、耐熱高合金鋼時還可用于配制表面層涂料。熔模鑄造用鋁礬土砂（粉）的主晶相、化學成分及分級代號、粒度組成等技術參數分別見表2-61～表2-64。熔模鑄造用鋁礬土砂、粉牌號表示方法為：RLS××-××□[鋁礬土熟料砂，RLS（H）表示合成料砂]，RLF××-××[鋁礬土熟料粉，RLF（H）表示合成料粉]。
表2-61 熔模鑄造用鋁礬土砂（粉）主晶相
表2-62 熔模鑄造用鋁礬土砂（粉）化學成分及分級代號
表2-63 熔模鑄造用鋁礬土砂粒度組成
表2-64 熔模鑄造用鋁礬土粉粒度組成
3.莫來石
莫來石是Al2O3-SiO2二元體系中長壓下唯一穩定存在的二元化合物，化學式為3Al2O3·2SiO2，理論組成（質量分數）為：Al2O371.8%，SiO228.2%。天然莫來石礦物非常稀少，莫來石通常用燒結法或電熔法等人工合成。合成莫來石是一種優質的耐火原料，它具有膨脹均勻、熱震穩定性極好、荷重軟化點高、高溫蠕變小、硬度大、耐化學腐蝕性好等特點。近年來，在鑄造行業，特別是在熔模鑄造生產中應用較為廣泛。天然鋁礬土精礦燒結莫來石的技術條件見表2-65。電熔莫來石的技術條件見表2-66。電熔莫來石的典型性能見表2-67。
表2-65 天然鋁礬土精礦燒結莫來石的技術條件
表2-66 電熔莫來石的技術條件
注：產品粒度小于0.088mm時，M75中的Fe2O3質量分數為0.5%，M70中的Fe2O3質量分數為1.2%。
表2-67 電熔莫來石的典型性能
（續）
2.3.6 剛玉砂
1.概述
剛玉是高純度的Al2O3，它是高鋁礬土經粉碎、洗滌后在電爐內于2000～2400℃高溫下熔煉而制得，或以優質氧化鋁粉經電熔再結晶而制得。純剛玉是白色菱面體形結晶（α-Al2O3），其Al2O3的質量分數高達99%～99.5%。鑄造用的剛玉砂有白剛玉和棕剛玉兩種，其Al2O3的質量分數前者不小于97%，后者不小于92.5%。電熔白剛玉與棕剛玉性能比較見表2-68。
表2-68 電熔白剛玉與棕剛玉性能比較
剛玉的密度為3.85～3.9g/cm3，莫氏硬度大于9級，熔點為2000～2050℃，熱導率大，熱膨脹小巨均勻，高溫時體積穩定巨不易龜裂。剛玉屬兩性氧化物，在高溫下常呈弱堿性或呈中性，抗酸堿的作用能力強，在氧化劑、還原劑或各種金屬液的作用下不發生變化，鋁、錳、鐵、錫、硅、鈷和鎳等都不與它發生反應。因此，在鑄造行業，剛玉適用于制作大型鑄鋼件，特別是合金鋼鑄件的型（芯）面砂、涂膏和涂料。用電熔剛玉制造的熔模鑄造型殼，其尺寸穩定性、熱穩定性及高溫化學穩定性均優良，是熔模鑄造良好的耐火材料。電熔剛玉價格昂貴、資源短缺，目前僅應用于耐熱高合金鋼、不銹鋼及鎂合金等鑄件的造型材料中。
2.剛玉的技術指標
根據GB/T 2479—2008《普通磨料白剛玉》和GB/T 2478—2008《普通磨料棕剛玉》中的規定，剛玉的粒度和化學成分應符合表2-69的要求。對耐火材料用白剛玉、棕剛玉，國內尚無專業標準，可參照白剛玉、棕剛玉普通磨料的國家標準，見表2-70和表2-71。
表2-69 剛玉的技術指標
表2-70 白剛玉的技術條件
注：1.46#（P40）密度不小于3.90g/cm3。
2.牌號含義：WA—陶瓷結合劑磨具用白剛玉；WA-B—有機結合劑磨具用白剛玉；WA-P—涂覆磨具用白剛玉。
表2-71 棕剛玉的技術條件
（續）
注：1.棕剛玉磨料牌號含義：A—陶瓷結合劑磨具用；A-P1—高速砂帶用；A-P2—頁狀砂布用；A-B—樹脂結合劑和橡膠結合劑用；A-S—噴砂拋光用。
2.密度：4#（P8）～220#（P220）≥3.90g/cm3；220#（P220）或更細≥3.85g/cm3。
2.3.7 硅藻土
硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖。硅藻土主要用于制造保溫材料、填料和濾劑等，在鑄造行業主要用于砂型（芯）及金屬型（芯）的保溫或絕熱涂料。
1.硅藻土的基本性能
（1）產狀及性質 硅藻土呈疏松土狀，孔隙率達80%～90%，能吸收本身質量1.5～4偌的水；松散密度為0.3～0.5g/cm3，莫氏硬度為1～1.5級（硅藻骨骼微粒為4.5～5μm）。硅藻土中的硅藻有許多不同的形狀，如圓盤狀、針狀、筒狀、羽狀等。
硅藻土的顏色為白色、灰白色、灰色和淺灰褐色等。原土中雜質少，通常呈淺色，當雜質含量增加時，則呈現出灰色、灰綠色、灰褐色等深色。
硅藻土有細膩、松散、質輕、多孔、吸水和滲透性強的特性，是熱、電、聲的不良導體，熔點為1650～1750℃，化學穩定性好，不溶于除氫氟酸以外的任何強酸，但能溶于強堿溶液中。
（2）礦物組成 硅藻土中的SiO2多數是非晶質的，其主要礦物為蛋白石及其變種，其次是與其共存的各種黏土礦物（高嶺石、蒙托石、水云母等）和碎屑礦物（石英、長石、黑云母等），另外還有有機質，含量從微量到30%（質量分數）以上。表2-72列出了浙江嵊縣硅藻土的礦物組成。
表2-72浙江嵊縣硅藻土的礦物組成
（3）化學組成 SiO2是硅藻土的主要成分，通常質量分數在80%以上，最高的質量分數可達94%。硅藻土中SiO2質量分數達到60%以上即可列入開采、利用的范圍。SiO2含量越高（指非晶質SiO2），硅藻土的質量越好。除SiO2外，硅藻土中還含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O和Na2O等。硅藻土的化學成分與物理性能見表2-73。
表2-73 硅藻土的化學成分與物理性能
（4）導熱性 硅藻土密度為0.4～0.9g/m3，熱導率極小，因而常用作隔熱材料。密度為0.53g/m3的硅藻土塊熱導率在200℃時為0.0158W/（m·K），在800℃時為0.0219W/（m·K）。其熱導率與密度關系較大，表2-74列出了松散填充的硅藻土不同溫度下的熱導率。
表2-74 硅藻土的熱導率
2.硅藻土的技術條件
JC/T 414—2000《硅藻土及其試驗方法》對硅藻土的技術條件做了規定，見表2-75。
表2-75 硅藻土的技術條件
圖2-7 硅藻土的熱分析及加熱性能譜圖
a）差熱分析（DTA）曲線 b）熱重分析（TG）曲線 c）熱膨脹曲線 d）加熱收縮曲線
3.硅藻土的加熱變化
硅藻土的加熱性質對用作隔熱保溫材料的原料是十分重要的。用作隔熱材料的硅藻土，其Al2O3的質量分數約為10%，Fe2O3及CaO、MgO等的質量分數約為5%，耐火度約為1500℃。不同產地的硅藻土，其加熱變化差異很大，必須具體原料具體分析。
（1）熱分析 圖2-7a和圖2-7b所示分別為浙江嵊縣硅藻土的差熱分析（DTA）和熱重分析（TG）曲線。DTA曲線表明，該硅藻土中含有磁鐵礦（Fe2O3），在903℃處有放熱反應。由TG曲線可見，硅藻土在200℃左右和600℃左右有兩個明顯的脫水過程，分別脫去吸附水和結晶水，到750℃以后，脫水過程即告結束，總失重為13.1%。
（2）熱膨脹性 圖2-7c所示為浙江嵊縣與云南騰沖硅藻土的熱膨脹曲線。前者膨脹較大巨在600℃左右有急劇膨脹現象，而后者隨溫度升高膨脹較小巨無顯著變化，這表明嵊縣試樣比騰沖試樣中的石英含量高，在573℃產生晶型轉變而發生較大的體積效應。
（3）加熱過程的物相變化 對硅藻土加熱過程X射線衍射分析的研究表明：在800℃以前物相無變化，在900℃開始結晶，自1150℃左右起，結晶化作用激烈，在1400℃方石英的生成量顯著增加，溫度再上升至1500℃，硅藻土即熔融。對硅藻土加熱過程的密度變化研究表明：在200～400℃，由于含水SiO2脫水，密度一度增大，以后隨著溫度的上升而減小，在700～800℃表現為最低值；當溫度再升高時，密度又繼續增大，并在1200℃左右與方石英和鱗石英的密度相同，說明其已完全轉變為結晶的SiO2。純的硅藻土在1300℃以下，結構不發生變化；雜質含量多時，1100℃即開始熔融。
（4）加熱燒結 圖2-7d所示為不同產地硅藻土的加熱收縮曲線。由圖可見，云南昆明和浙江嵊縣硅藻土在1100℃就開始急劇收縮，而云南騰沖硅藻土在1100℃出現明顯收縮后便趨于平穩，直到1350℃才開始急劇收縮，這表明，前兩者的燒結溫度在1000℃以下，而后者則達到1200℃左右。
通過測定加熱過程中硅藻土的比表面積變化，可以準確地反映其燒結情況。比表面積明顯減少說明燒結開始；比表面積很小時，表明硅藻土已熔結在一起。表2-76列出了幾種硅藻土比表面積的加熱變化情況。從表中可以看出，經選礦加工的精土，由于品位高，雜質少，其燒結溫度明顯提高。
表2-76 硅藻土加熱過程中的比表面積變化 （單位：m2/g）
從以上硅藻土加熱過程的變化可知，硅藻土作為隔熱保溫材料，其使用最高溫度在900℃左右，不宜超過1000℃。
2.3.8 碳質耐火材料
1.概述
碳質耐火材料包括石墨、廢石墨電極、廢石墨坩堝碾碎成的顆粒，以及沖天爐打爐后未燒掉的焦炭碾碎成的顆粒。碳質砂為中性材料，具有以下特點：化學活性低，在缺乏空氣流中加熱十分穩定，不為金屬液及其氧化物所浸潤；耐火度高，如天然鱗片石墨熔點高達3000℃以上，一般工業用石墨約2100℃；熱導率高，熱容量大，熱膨脹系數非常低。
碳質砂特別適用于做高溫下易氧化的鈦合金和各種非鐵合金鑄造用砂，也可以用于鐵質金屬鑄造。鱗片石墨和無定形（土狀）石墨還可用于配制鑄造用涂料。
2.石墨
（1）石墨的基本性質 石墨一般呈鱗片狀、致密晶質和隱晶質的集合體產出。鱗片狀石墨具有重要的工業價值，雖然這種石墨在礦石中含量低，僅為百分之幾，呈星散分布，但其鱗片直徑一般大于0.1mm，巨鱗片質純，具有高度的潤滑性、耐高溫和化學穩定性。它的可選性好，經浮選后含碳的質量分數可達85%以上。致密晶質石墨也稱塊狀石墨，其晶體一般較小，直徑多在0.001～0.1mm，排布雜亂，在礦石中的含量較高。隱晶質石墨的晶體小于1μm，只有在電子顯微鏡下才能看到石墨晶形。集合體呈致密塊狀，潤滑性小，一般沒有光澤或光澤較暗，外表呈土狀，所以也稱為土狀石墨。這種石墨在礦石中的含量很高，一般其質量分數為60%～80%，少數可達90%以上。但是這種石墨的可選性差，工業上一般將其研磨后直接使用。
石墨呈鐵黑色至鋼灰色，隱晶集合體呈土狀者光澤暗淡，不透明。石墨是最軟的礦物之一，莫氏硬度為1～2級，有滑膩感，易污染手指，密度為2.09～2.23g/cm3，具良好的導電性和導熱性。
石墨是單質礦物，但是天然石墨純凈者很少，除碳外，常含有大量的（有時質量分數達10%～20%）其他成分，如SiO2、Al2O3、FeO、MgO、CaO、P2O5、CuO等混入物，有時含有H2O、瀝青、黏土等。
（2）石墨的技術條件 鱗片狀石墨按固定碳含量高低分為高碳石墨[w（C）=94.0%～99.0%]、中碳石墨[w（C）=80.0%～93.0%]和低碳石墨[w（C）=50.0%～79.0%]。鑄造行業使用的多為中碳石墨。中碳石墨和低碳石墨的技術要求分別見表2-77和表2-78。
表2-77 中碳石墨技術要求（GB/T 3518—2008）
（續）
（續）
（續）
注：無揮發分要求的石墨，固定碳含量的測定可以不測揮發分。
表2-78 低碳石墨技術要求（GB/T 3518—2008）
鑄造用無定形（土狀）石墨粉按GB/T 3519—2008《微晶石墨》規定分為兩類，有鐵要求者為一類，用WT表示；無鐵要求者為另一類，用W表示。產品代號由分類代號、固定碳含量最大粒徑組成。例如，W90-45表示無鐵要求的、碳的質量分數為90%、最大粒徑為45μm的微晶石墨。鑄造行業使用的微晶石墨大多對鐵無特別要求。無鐵要求的微晶石墨的技術要求見表2-79。
表2-79 無鐵要求的微晶石墨技術要求（GB/T 3519—2008）
2.3.9 鈦鐵礦砂
1.概述
鈦鐵礦砂是一種天然原砂，外觀為鐵黑色或灰黑色細顆粒，其主要成分為FeTiO3或FeO·TiO2，屬三方晶系菱面體對稱型。它儲藏于海砂中，與硅砂、鋯砂、獨居石、磷釔礦伴生，純的鈦鐵礦砂是由海砂經過重力選礦、磁力選礦、電力選礦等工藝精選出鋯砂時所獲得的另一產品砂，其價格比鋯砂便宜，比硅砂稍貴。鈦鐵礦砂單獨作為型（芯）砂的不多，大多作為型（芯）砂添加劑使用。
鈦鐵礦砂的密度為4.7g/cm3左右，莫氏硬度為4～6級，理論成分為w（FeO）=47.3%、w（TiO2）=52.7%，熔點為1450℃，但往往因含有SiO2、MgO、CaO、MnO等雜質而降低其熔點。鈦鐵礦砂的導熱性、蓄熱性與鉻鐵礦砂相近，熱膨脹量較鉻鐵礦砂稍大。
天然金紅石是一種高鈦礦物，純的TiO2密度為3.8～4.2g/cm3，分解溫度為1640℃，因此金紅石也可作為原砂。
鈦鐵礦砂由于熔點較低，僅適用于鑄鐵用原砂；金紅石砂可用作鑄鋼用原砂，單獨或與硅砂混合使用時可以提高混合料的導熱性，加速鑄件冷卻。
2.鈦鐵礦砂的技術指標
鈦鐵礦砂按主要化學成分分級見表2-80。天然金紅石按化學成分分級見表2-81。鈦鐵礦砂和金紅石砂的粒度一般都較細，篩號多為70/140目和100/200目。一些生產鋯砂的單位都生產鈦鐵礦砂和金紅石。我國主要鈦鐵礦砂的化學成分見表2-82。
表2-80 鈦鐵礦砂按化學成分分級
表2-81 天然金紅石按化學成分分級
表2-82 我國主要鈦鐵礦砂的化學成分
2.3.10 石灰石砂
1.概述
石灰石砂與硅砂相比較，突出的優點為：①無硅塵危害，石灰石砂中游離SiO2的質量分數僅為2%左右；②鑄件表面光潔、不粘砂，清砂容易，一般可以減少清砂工作量60%以上；③澆注試驗表明，鋼液在石灰石砂型試樣中的流動長度要比在硅砂試樣中長2～3偌，用石灰石砂澆注的鑄鋼件棱角清晰；④碳酸鈣的分解為吸熱反應，使鑄件表層在凝固階段的冷卻速度遠比使用硅砂型要快，這可使鑄件得到較為致密的表面金屬層。但是，石灰石砂也存在一些明顯的弱點，如硬度低，莫氏硬度僅為3級左右，在混砂和造型（芯）過程中易粉碎，易使型（芯）砂性能惡化；在澆注時石灰石分解，并與鋼液作用，易引起型壁位移，導致鑄件產生縮沉，使鑄件易出現氣孔、蚯裂等缺陷；對混砂、造型、制芯工人的技術要求高等。
1970年，石灰石砂在常州戚墅堰機車車輛廠鑄鋼生產中首先試驗使用，后來被全國較多生產鑄鋼件工廠采用，主要用來配制水玻璃砂，也可用于濕型砂和干型砂。隨著對鑄件質量要求越來越高，以及樹脂砂的推廣應用，石灰石砂正面臨著嚴重的挑戰，其許多市場已被樹脂砂取代。
2.石灰石的基本性質
石灰石按原料的礦物組成劃分，大致可分為石灰石型、白云石型[也稱鎂質石灰石，化學式為CaMg（CO3）2]和大理石型（它是石灰石和白云石經變質作用重結晶形成的礦物，與石灰石或大理石在化學成分上無法區分，僅結晶狀態不同）。
石灰石的成巖礦物組成是方解石，其理論化學式為CaCO3，化學組成（質量分數）為CaO56.03%、CO243.97%，常含有Mg、Fe、Mn等，可形成若干變種，有時還含Zn、Pb、Ba、Co、Tr等。質純方解石為無色或白色，但多數方解石因含雜質元素呈淺黃、淺紅、紫、褐黑色等各種顏色。
石灰石不易溶于水，而易溶于酸。在1000～1240℃下煅燒，發生分解，生成高鈣型石灰（CaO）。石灰的水化產物為高鈣型熟石灰[Ca（OH）2]。熟石灰加水后可調成灰漿，在空氣中易于硬化。熟石灰中通入CO2氣體所生成的碳酸鈣沉淀物，經過濾、烘干、磨細，即制成為輕質碳酸鈣粉。
白堊是石灰石的特殊類型，屬生物成因的一種質純、柔軟、粉狀（粒徑＜5μm）碳酸鹽巖。這種微粒的比表面積大，白度高，有良好的吸附性，易黏附，吸油性強，但吸水性弱，是重要的白色填料。
方解石的分解溫度不高，CaO在礦石熔煉過程中有助熔性能，能降低礦石的熔化溫度，同時可提高熔爐內的堿度，降低黏度，增加爐渣流動性，促使煉鋼爐中礦石的各種雜質進入爐渣。
不含鐵礦物的石灰石（大理石）具有較好的電絕緣性能。
3.鑄造用石灰石砂
以石灰石為主要成分的礦巖，經過機械破碎、除去細粉、篩選分級后制成的鑄造用砂，稱為石灰石砂。最常見的石灰石砂是白色或灰白色的多角形顆粒，最容易鑒別的方法是石灰石砂遇鹽酸發泡產生CO2。
發育完全的方解石晶體，由于解理完全，顆粒易再細化，所以不適合用來加工石灰石砂。隱晶質的石灰巖結構致密，是比較理想的石灰石砂原料。生產中一般利用加工大理石時的邊料制造石灰石砂。
白云石是一種重要的鹽基性耐火材料，可制造白云石耐火磚或直接用作爐襯材料。白云石尾礦也可以用作石灰石砂的生產原料。與石灰石相比，白云石的密度較大（2.8～2.9g/cm3），硬度較高（莫氏硬度為3.5～4級），冷鹽酸對白云石的侵蝕很弱。
（1）石灰石砂的高溫特性 用作造型材料的石灰石砂是未經煅燒的原礦，其主要組分碳酸在高溫受熱時會分解粉化并產生較多的CO2氣體，這是石灰石砂的一個特點。在受熱狀況下，石灰石砂在700℃左右就開始分解，溫度超過900℃以后，熱解作用急劇進行，直到完成。石灰石的熱解溫度為914℃。大理石因屬于變質巖，熱解溫度略高，可達921℃。白云石在800℃左右出現第一次熱解，分解成MgO、CO2和CaCO3，溫度繼續升高，CaCO3的熱解接著產生。石灰石砂受熱分解情況如圖2-8所示。石灰石砂的熱解溫度和發氣量見表2-83。
圖2-8 石灰石砂受熱分解情況
表2-83 石灰石砂的熱解溫度和發氣量
（2）雜質與粒形
1）雜質。石灰巖中的有害雜質主要是黏土、石英、云母以及鐵的氧化物等雜質礦物。生產實踐表明，石灰石砂中Fe2O3的質量分數一般小于1.0%，Al2O3的質量分數小于1.5%。這些化學物質的存在沒有明顯的不良作用。MgO、SiO2含量過高將使鑄件表面粗糙，出現飛邊和粘砂。如果MgO含量過高，還會使石灰石砂在較低溫度（795℃）即分解出大量氣體，易使鑄件產生氣孔類缺陷。SiO2有化合態（硅酸鹽）和游離態兩種，一般環保要求游離態SiO2的質量分數應控制在2%以下，但石灰石砂含有適量的游離態SiO2能降低型砂高溫殘留強度，使澆注后殘留砂塊松脆，有利于減輕清砂的勞動強度。石灰石砂中的硫鐵礦、石膏、磷灰石等雜質的存在會增加砂中硫、磷的含量，對鑄件質量不利，因此應根據原礦情況，適當控制石灰石砂的雜質含量。
2）粒形。顆粒形狀對石灰石砂的性能有著重要的影響。加工后所得到的砂粒應該是多角形的，柱狀、條片狀、尖角狀的砂粒則不宜使用。
（3）石灰石砂的技術指標
1）石灰石砂化學成分見表2-84。
表2-84 石灰石砂化學成分
2）粒度。鑄造用石灰石砂粒度分組見表2-85。特殊規格的砂子可以采取將兩種粒度的砂子混合，或者單獨篩選加工（如兩篩制的砂子），具體要求可由供
表2-85 石灰石砂粒度分組
需雙方商定。各組砂子粒度集中率應大于85%，主要粒度組成部分以外，上部各篩粗粒總和應小于下部各篩細粒之和。
3）耐碾性。石灰石砂莫氏硬度為3級，比石英低得多，所以石灰石砂在混砂過程中容易粉碎、細化，從而引起型砂工藝性能惡化。由于石灰石砂的耐碾性完全不能和硅砂或其他硬質砂相比，所以成品原砂中往往含有較多細粉，影響型砂的工藝性能。
我國部分產地石灰石砂的化學成分見表2-86。
表2-86 我國部分產地石灰石砂的化學成分
